传统化石能源的过度开发及利用引发了一系列日益加剧的资源及环境问题,对可持续发展的能源结构提出了更高的要求。地热能作为一种可再生能源,以其储量巨大、清洁环保、开采稳定等特点,逐渐受到广泛关注。特别是在推进“碳中和”目标的大背景下,开发和利用地热能已成为实现低碳转型的重要途径之一。碳酸盐岩型地热储层主要由白云岩、石灰岩等组成,在我国储量巨大且分布广泛,具有显著的地质优势及开发潜力。然而,深部碳酸盐岩热储在开采过程中通常表现出低渗透性等不利于高效开发利用的特点,影响地热系统的经济性与可持续性。因此,开发碳酸盐岩型地热资源的挑战在于如何有效提高储层的渗透性能,扩展沟通其原有裂隙网络,确保流体在热储内部的高效运移与换热。 酸化压裂作为一种在储层增渗改造领域受到广泛应用的重要技术,是指将配制好的酸液作为压裂液注入到储层当中,使目标层位岩体在高流体压力作用下发生破坏,造成裂隙网络的扩大及连通,同时利用酸液的溶蚀特性溶解裂隙通道内的矿物,进一步提高裂隙的导流能力及储层的整体渗透性能。作为一种结合水力压裂与化学刺激的复合储层改造技术,酸化压裂对碳酸盐岩储层的效果尤为显著。由于目前对酸化压裂过程中储层内部的复杂动态变化及多场耦合作用认识不足,且对于储层对流体注入过程的响应规律缺乏具体深入的研究,酸化压裂工程对储层渗透性能的改造效果通常难以准确预测和量化评价,导致增渗效果及范围不理想等问题,对地热系统的长期产热性能造成负面影响。 针对上述问题,本文以酸化压裂过程中碳酸盐岩型地热储层的化学-力学耦合响应及渗透率动态演化过程为研究对象,结合理论分析、室内实验及数值模拟等方法,从酸蚀作用下裂隙岩体关键力学性质的劣化规律及热储多场耦合理论入手,形成地热储层酸化压裂流动-传热-化学-力学多场耦合数学模型,基于完善后的分析模型进行数值模拟程序的改进及验证,利用数值模拟程序进行化学-力学耦合作用下储层裂隙行为分析,并在此基础上进行实际场地应用,实现碳酸盐岩热储酸化压裂数值模拟分析及预测。通过本次研究,取得了主要研究成果如下: (1)探究了酸蚀作用下热储岩体主要力学性质的劣化规律,建立了裂隙力学行为关键参数与酸蚀程度之间的响应关系。实验结果显示:矿物溶解过程在酸-岩相互作用中占据主导地位,酸蚀作用对岩样细微观结构的影响主要包括造成矿物颗粒间连结程度下降以及对颗粒自身的溶蚀两方面。细微观结构的改变导致其在外力作用下应力分布及破坏特征的改变,进而引发裂隙岩体宏观力学强度的劣化。与反应前平均值相比,酸蚀至2.5 h的试样断裂韧度降低43.67%;与0.5h相比,酸蚀至2.5 h的试样剪切刚度降低55%。 (2)结合多场耦合理论分析成果及室内实验结果,建立了热储酸化压裂流动-传热-化学-力学多场耦合数学模型,并增加了化学-力学耦合作用下的酸蚀裂隙力学行为和受其控制的渗透率演化过程控制方程。在TOUGHREACT的程序框架内,基于FORTRAN95语言及模块化设计思路,完成酸化裂隙力学行为模块及弹塑性力学模块的改进开发,形成适用于裂隙岩体酸化压裂多场耦合过程数值模拟程序。 (3)探究了酸液注入过程中化学-力学耦合作用下的储层裂隙行为,并分析了关键力学参数、注入流体组分、裂隙产状及地应力条件的对于该过程的影响。模拟结果显示考虑酸蚀影响的注入过程能有效降低隙发生起裂拓展所需要的流体压力条件,并使裂隙开度获得更大幅度的提升,酸蚀作用下裂隙更趋向于脆性破坏。地应力条件及裂隙自身产状共同决定了裂隙的空间受力状态,进而影响裂隙行为,在相同的地应力条件下,不同产状裂隙对于流体压力的响应过程存在显著差异。 (4)以雄安容城地热田D22井为研究对象,结合实际地热地质条件及相关工程实测数据,建立场地尺度多网格三维模型,开展碳酸盐岩热储酸化压裂过程模拟研究,完成了改进后多场耦合数值模拟方法的实际场地应用。对酸压注入过程中热储内部的流体压力变化、裂隙破坏状态及多因素综合影响下的渗透率动态演化过程进行分析,并在此基础上进行主要运行参数的敏感性分析,探究不同注入流速、注入温度及注入模式对于储层酸化压裂改造效果的影响作用。 上述研究成果有助于更为深入地了解酸压改造过程中,地热储层内部所发生的复杂动态变化及多场耦合作用,从而充分地发挥注入流体的增渗改造效果,对于碳酸盐岩热储酸化改造工程方案的优化设计与实施,以及地热资源的大规模高效可持续开发具有积极意义。